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生物可降解材料的研究现状论文2篇

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  篇一:生物可降解材料的研究现状

  生物降解材料的研究现状

  摘 要:介绍了生物降解材料和光降解材料的研究背景、研究内容、研究成果和应用现状。分析了其产品对环境的改善和不足,提出了对其降低成本、提高性能和扩大应用范围的建议。

关键词:生物降解材料;光降解材料;塑料;成本;环境

  近年来,塑料生产技术有了很大的发展,塑料已经渗透到人们生产和生活的各个领域,与水泥、钢铁和木材并称四大工业材料。由于塑料本身具有质量轻,耐腐蚀和易于成型加工等优点,使其成为人们不可或缺的材料。然而现在塑料的使用却面临巨大的挑战。在自然界中塑料很难降解,使用后产生大量固体废弃物。目前在处理这些塑料垃圾时大部分采用焚烧和掩埋的方法,但都未能解决污染问题,例如焚烧后产生的一些有毒气体反而进一步导致了污染的扩散;塑料掩埋地下需要近300 年才能够完全降解。另外石油,天然气等能源都已经面临枯竭的危机,全世界的石油储量大约只能再用40 多年,以石油为原料的塑料生产受到很大的阻力。为了减轻废旧塑料对环境的污染和缓解能源危机,多年来人们尝试开发可降解塑料,用以代替普通塑料制品。

  随着可生物降解塑料技术的发展,聚乳酸(PLA) 、生物聚酯等生物降解材料的逐渐成熟,将推进塑料制品可生物降解化,为减少废旧塑料制品带来的污染,并为最终实现资源和环境的可持续性发展找到出路。目前可降解塑料的研制开发十分活跃,并部分进入工业化生产,但从总体上看,当前降解仍处于有待于对技术进行更深入研究、提高性能、降低成本、拓宽用途并逐渐推向市场的阶段。本文对生物可降解材料的发展和应用现状进行了简介,并指出其不足。

  1 目前各国生物课可降解塑料的应用现状

  生物降解塑料[1]不仅在生产过程中有节能减排效果,而且在使用过程也具有环境友好的特征。普通聚烯烃塑料的合成会排放大量CO2 等尾气及污染物,而塑料制品大量使用,尤其是农用薄膜和包装材料又造成了日益严重的白色污染。但生物降解塑料则不然,其原料来源是可以再生的农作物,农作物在生长过程中通过光合作用可以吸收CO2 放出氧气,其制品废弃物可以在掩埋堆肥条件下完全降解成水和CO2 ,无污染物产生。我国已成功开发的新型降解塑料------二氧化

  碳塑料[2],是以工业废弃CO2 和烃为原料共聚而制成,其中CO2 含量为31 %~50 %。与普通塑料相比,CO2 塑料不仅利用工业废气CO2变废为宝,有效减少温室效应,而且对烃及上游原料石油的消耗也大大减少。近年来,用转基因植物生产生物降解塑料的研究已经取得很大进展。随着重组DNA 技术的发展,未来用转基因植物生产生物降解塑料的商业化,必将促进生物降解塑料的广泛应用,进一步节约石油资源,减轻环境压力。因此,生物降解塑料产业规模不断扩大的过程,其实就是CO2 减排的过程,可逐渐消除困扰全世界多年的温室效应和白色污染两大难题,促进人类、经济与环境和谐发展。

  现生产降解塑料的主要国家有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。美国是开发降解塑料的主要国家之一,如有专门的塑料降解研究联合体(PDRC) 、生物/ 环境降解塑料研究会(BEOPS) 等,其宗旨在于进行有关降解材料合成、加工工艺、降解试验、测试技术和方法标准体系的建立。近年日本相继成立了生物降解塑料研究会、生物降解塑料实用化检讨委员会,日本通产省已将生物降解塑料作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料”。欧洲Bhre-Eurae对生物降解塑料建立了完善的降解评价体系。意大利政府立法将于2010年禁用非生物可降解塑料袋。

  生物降解塑料应用瓶颈正在打破。虽然从全球范围内看,几年前就形成了生物降解塑料热,但由于可生物降解塑料价格相对高昂、某些性能指标与传统塑料还有一定差距,其市场接受度还不是很高。价格高是生物塑料推广难的最主要原因,尤其是在国际油价相对比较低的时候,传统塑料的价格优势非常明显。现在,国际油价长时间徘徊在百美元以上,传统塑料的价格优势正在逐渐缩小,寻找石油路线合成塑料替代品,尤其是可循环利用的无污染材料的工作变得更为迫切,这就为生物塑料提供了一个有利的市场支撑条件。

  在推广的初始阶段,生物塑料很需要政策[3] 的支持。一些发达国家采用的办法是,政府出面规定商场和超市必须采用经PLA 等生物塑料改性、具有可降解性能的塑料薄膜制品,这样的政府调节行为对推动生物塑料产业和相关的传统塑料/生物塑料改性及其制品加工业的良性发展是十分必要的。

  2007 年3 月2 日,美国旧金山市议会通过了禁止超市、药店等零售商使用传统塑料袋的法案。该法案规定,超市和药店等零售商只能向顾客提供纸袋、布袋或以玉米副产品为原料生产的可生物降解塑料袋,化工塑料袋被严格禁止。该法案的实施就大大推动了生物塑料袋的应用推广速度。

  为积极推动生物降解塑料、践行绿色奥运的理念,北京奥运会期间,在集中用餐地点有选择地使用了生物降解塑料餐具;在使用一次性餐具场所全部使用生物降解塑料餐具。北京奥运村使用了800 多万个生物降解塑料袋,以解决传统塑料袋造成的环境污染问题。这无疑将是我国大力推广生物塑料应用的一个良好开端。

  2 生物可降解材料的研究现状

  2.1产品分类

  塑料按其降解机理主要分为光降解塑料、生物降解塑料和光- 生物双降解塑料。

  降解塑料按降解的环境条件分类,可分为非(或不完全) 生物降解塑料和全生物降解塑料两大类,包括光降解塑料、热氧化降解塑料、淀粉基部分生物降解塑料等。

  2.2光降解塑料[4],

  光降解塑料在日光照射下吸收紫外线后发生光引发作用,使键能减弱,长链分裂成较低分子量的碎片,聚合物的完整性受到破坏,物理性能下降。较低分子量的碎片在空气中进一步发生氧化作用,产生自由基断链反应,降解成能被生物分解的低分子量化合物,最后被彻底氧化为CO2和H2O。整个降解过程是由光降

  解和自由基断链氧化反应相结合的Norish反应[5]:

  碳基聚合物的光降解

  光降解塑料是在普通塑料如聚乙烯(PE) 、聚丙烯(PP)中加入光敏剂、热氧

  化剂、生物诱发剂(如淀粉) 等,使一次性塑料制品在完成使用寿命后,加速降解。这些塑料袋的应用性能和价格接近普通塑料袋,而且其废弃物在光、热、微生物等环境条件下,也会发生质量劣化、力学性能下降或部分被微生物吞噬等,但不能在较短时间内完全降解成二氧化碳和水。长期跟踪实验发现,塑料只要降解破碎成一定程度的小碎片或粉末,不但不会对植物的根系造成危害,还能够起到疏松土壤的作用。

  2.2.1 合成型光降解材料[6]

  在高聚物中引入感光基使其具有光降解性,己工业化的有以下几种:

  (1)乙烯与一氧化碳共聚物本世纪年代美国杜邦公司开发了,即为光降解高分子材料的最早代表产品。该共聚物中的羧基能吸收270~360mm的紫外光,即为光敏感基团。用该共聚物制成的薄膜等产品己工业化生产。

  (2)乙烯酮共聚物将乙烯酮引入聚合物主链中,可制成光降解高聚物。与乙烯酮相似的单体还有含酮羧基的甲乙酮和苯乙烯酮等。此类光降解材料也己实现了工业化生产。

  比外以下聚合物均有光降解性:结晶度为20%~30%的间规1,2-聚丁二烯;氯乙烯和一氧化碳共聚物;苯乙烯、MMA和甲乙酮、苯基乙烯基酮、苯基丙基酮等的其中之一组成的共聚物。

  2.2.2 添加型光降解材料

  将具有光增敏作用的助剂添加到高聚物中即可制备出光降解高分子材料。具有光增敏作用的助剂较多,目前应用的有以下几种:过滤金属络合物、二茂铁、羧酸铁乙烯-CO共聚物(ECO)、甲基乙烯基酮等酮类化合物、苯乙烯-苯基乙烯基酮共聚物等。

  我国在光降解高分子材料(主要是光降解塑料)方面的研究从80年代开始,主要集中在农用地膜的开发。有10多个科研或生产企业在这一领域进行了开发研究,取得了可喜的成绩。如长春应化所开发的光降解地膜,短寿命50~70,天衰变期两周,长寿命60~90天,衰变期4周,已在山东、山西、新疆等地进行应用试验;天津轻院合成的可控光降解剂加入中,制成的地膜也开展了应用试验;北京高分子材料科技开发公司与长春应化所合作,经过多年推广应用已取得较大成绩。安徽农大开发成功的光降解银色薄膜获21届日内瓦国际展览会金奖。上海塑料制品研究所研究开发的光降解塑料包装袋己商品化。

  多年的研究结果表明,光降解地膜诱导期60天左右可确保增产效果;光降解地膜与普通地膜相比,土壤中有关化学元素含量差别不大,证明无化学污染;曝晒部分光降解地膜经过一季作物后可降解成小于44cm2碎片。光降解地膜的主要问题是埋土部分降解不理想。

  2.3 生物降解塑料[6][7]

  生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。按其来源则可分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料和掺混型材料等。 天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子材料制备的生物降解材料。这类物质来源丰富,可完全生物降解,而且产物安全无毒性,日益受到重视。

  微生物合成高分子聚合物是由生物发酵方法制得的一类材料,主要包括微生物聚酯和微生物多糖,其中以前者研究较多。

  化学合成型材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族聚酯,在自然界中其酯基易被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸、聚己内酯(PCL)、聚丁烯琥珀酸酯(PBS)等。

  掺混型是将两种或两种以上的高分子共混聚合,其中至少有一种组分为生物可降解物,该组分多采用淀粉、纤维素等天然高分子,其中又以淀粉居多。

  2.3.1 天然高分子型

  自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属降解性天然高分子,这些高分子可被微生物完全降解。但因纤维素存在物理性能上的不足,由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求。因此,它大多与其它高分子,如由甲壳质制得的脱乙酞基多糖等共混制得。如日本以纤维素和脱乙酞基壳多糖进行复合,制得了生物降解塑料,采用流涎法制得的薄膜与普通的膜的强度相似,并可在个月后完全分解,盒状制品天可完全分解,但目前尚未工业化生产。

  近年来,我国有不少单位利用从稻草、麦秸等草本植物中提取的纤维素为原

  篇二:生物降解高分子材料

  生物降解高分子材料

  摘要:高分子材料在日常生活中的使用量越来越大.然而高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时,其使用后的大量塑料废弃物也与日俱增。给人 类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。本文简要介绍生物降解高分子材料的定义、降解机理及影响因素的基础上,较为全面的阐述了当前生物降解高分子材料的应用领域。

  关键词:生物降解,医用生物材料,

  1 前言

  聚合物工业蓬勃发展的同时也导致了环境污染的加剧,引起了人们对聚合物废料处理的关注。目前全世界每年生产塑料约1.2亿吨.用后废弃的大约占生产量的50%~60%。废塑料的处理以掩埋和焚烧为主,但这两种处理方法会产生新的有害物质。对此,一些国家实行了3R工程,即减少使用、重复使用和回收循环。但对一些回收困难、不宜回收或需要追加很大能量才能回收的领域(如食品包装、卫生用品),实施3R工程很困难,而如果使用生物降解材料则十分有利[1]。

  2生物降解高分子材料定义降解机理

  2.1生物降解高分子定义

  根据美国ASTM定义生物降解高分子材料是指在一定的条件下.一定的时间内[2,3,4]能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的高分子材料。真正的生物降解高分子。在有水存在的环境下,能被酶或微生物水解降解,从而高分子主链断裂,分子量逐渐变小,以致最终成为单体或代谢成CO2和H2O[5]。

  2.2生物降解高分子材料的降解机理

  生物降解机理和光一生物降解机理.完全生物降解机理大致有三种途径:①生物物理作用:由于生物细胞增长而使聚合物组分水解,电离质子化而发生机械性的毁坏.分裂成低聚物碎片:②生物化学作用:微生物对聚合物作用而产生新物质(CH4、C02和H20):③酶直接作用:被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩

  裂。而光一生物降解机理则是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解,增大表面/体积比,同时,日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成含氧化物,并氧化断裂.分子量下降到能被微生物消化的水平。进一步研究发现.不同的生物降解高分子材料的生物降解性与其结构有很大关系,包括化学结构、物理结构、表面结构等。

  对不同种类的生物降解材料而言.它们降解机理的不同决定了它们具有不同的性质。天然降解高分子材料.其本身来源于生物体,能保证足够的细胞及组织亲和性.降解周期一般较短.最终降解产物为多糖或氨基酸.容易被机体吸收.但是这种材料力学性能差。难于满足组织构建的速度要求,应用时需要进行改性。化学合成的生物降解材料的组成、结构和降解行为更易于控制。比如降解速度和强度可调.易构建高孔隙率三维支架.但材料本身对细胞亲和力弱.往往需要引入适量能促进细胞黏附和增值的活性基团、生长因子或黏附因子等。[6]

  3生物降解高分子材料的种类及降解过程

  3.1生物降解高分子材料的种类

  根据降解机理和破坏形式可将生物降解高分子分为完全生物降解高分子和生物破坏高分子两种:①完全生物降解高分子:指在微生物作用下,在一定时间内完全分解为CO:和H20的化合物。②生物破坏性(或称崩解)高分子:指在微生物的作用下高分子仅能被分解为散乱的碎片。

  根据生产方法。又可分为以下3种。

  (1)微生物生产高分子。通过微生物发酵获得高分子材料.较有代表的如英国ICI公司开发的3一羟基丁酸和3一羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)及其衍生物(商品名为Biop01)和日本东京工业大学开发的聚羟基丁酸酯(PHB)。这类产品具有较高的生物降解性.但价格昂贵,目前只在高档消费品中应用。

  (2)合成高分子材料。如已成为研究开发热点的聚乙烯醇和主要活跃在医疗领域的聚乳酸(PLA)等,另外还有美国Union Carbide公司以聚己内酯(PCL)为原料开发的商品名为“Tone”的产品(售价在4.4美ff./kg左右)。

  (3)天然高分子材料。生物降解材料的研究和开发在很大程度上取决于天然原料的利用。因为人们已非常清楚地认识到天然原料基本上能在自然界降解而且以其为原料的合成材料通常也会生物降解。如纤维素、淀粉、蛋白质、甲壳素、木质素、单宁和树皮等原料合成的塑料,都是很好的生物降解化合物。在一些发达国家,已达到一定的开发利用水平,特别是通过化学修饰和共聚等方法对这些高分子进行改性,可以合成许多有用的环境可降解高分子材料。添加剂型生物降解塑料是指将生物可降解成分以添加剂的形式加到原料中而制成的塑料。如普通的PE、PP、PS中添加淀粉或淀粉衍生物的塑料。这类产品虽然在技术和应用上还存在一些问题。但其价格相对低廉。

  3.2 生物降解的过程

  生物降解过程主要分为3个阶段:(1)高分子材料的表面被微生物黏附.微生物黏附表面的方式受高分子材料表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。(2)微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下,通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。(3)微生物吸收或消耗低相对分子质量的碎片,一般相对分子质量低于500,经过代谢最终形成C02、H20及生物量。

  4生物降解高分子的应用

  4.1 聚合物超细纤维组织工程支架

  组织缺损和创伤修复的研究和发展与生物材料同步。在上世纪60年代中期。合成性纤维开始用于烧伤治疗的人工皮肤。在70年代致力于对植入物的人工表面处理.避免引起血液凝集。如在材料表面引入肝素复合物涂层等。1987年提出了“组织工程”的概念.为修复病损的组织和器官提供了一种新的治疗途径,它是建立在细胞培养、天然材料提纯、人工材料合成、移植技术等基础上的一门学科.其中支架材料起着支撑细胞生长、引导组织再生、控制组织结构和释放生物活性冈子等作用.是决定其成败的关键因素之一。具有良好生物相容性的可生物降解高分子合成材料经过适宜的制备T艺。构建具有仿细胞外基质结构、适当力学强度、生物活性物质载体功能的组织工程支架,逐渐成为新的研究热点。制备三维多孔支架的方法有纤维粘接法、相分离法、气体发泡法、溶液浇注2沥滤法、同体自由成型法、颗粒烧结法等。聚合物纳米纤维的一个独特性能是它与生物天然的细胞外基质结构类似。纤维间结合较弱,即使较小的孔细胞也可进入,从而提高了支架材料的细胞渗透性。细胞进入后可调节其生长空间,尺寸比细胞小的纤维可与细胞产生较强的相瓦作用,同时细胞沿纤维走向有一定的趋向性。目前相分离法、自组装法、模板法和静电纺丝法町用于构建超细纤维组织工程支架。‘聚乳酸及其共聚物等的电纺超细纤维制成三维多孔材料已尝试作为细胞生长和组织形成的骨架.但目前主要是探讨纤维的组成、直径及表观形貌对细胞粘附及生长行为的影响。

  4.2医学领域

  生物降解高分子材料在生物医学领域具有十分重要的应用,它的主要应用表现在以下几方面:

  4.2.1 药物控制释放载体

  这是当今医用高分子研究中最热门的领域之一。缓释系统是指药物能在指定时间内按预定的速度释放到指定的部位。它可控制药物在体内的释放速率,使药物在体内能够保持有效浓度,减小或消除副作用,特别是在植入或附于病区时,则更能显示其优越性[16]。生物降解高分子材料与不可降解的聚合物.药物缓释体系相比,它们主要具有3大优点:①缓释速率主要南载体的降解速率控制,对药物性质的依赖较小,药物包裹量和几何形状等参数的选择范围更广。②释放速率更为稳定。在理想的情况下,释放速率可维持恒定,达到零级释放动力学模式。③更适于不稳定药物的释放要求[17]。用作药物载体的材料可以是非生物降解性材料,也可以是生物可降解性材料,不同性质的药物载体具有不同的药物释放行为[18]。由于一般高分子作为药物载体时随着载体中药含量的减少,药物的释放速率亦减小,因此无法保持药物的恒量释放。而生物可降解性高分子材料用作药物控制释放载体时,虽然药物释放速率同样会随着药物在载体中的浓度下降而下降,但由于随着药物载体逐渐降解,药物载体结构逐渐变得疏松,导致药物在载体中扩散、溶解及释放的阻力减小,结果可加快药物的释放速率。当正好与由含药量减少所引起的释药速率的减少相一致时,就可实现药物的长期恒量释放。此外,当用生物降解高分子材料作为载体的长效药物植入体内,在药物释放完了后也不需要再经手术将其取出,这可减少用药者的痛苦和麻烦。目前作为药物载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚磷酸酯、聚酯、聚酸酐、聚磷腈、聚碳酸酯类高分子聚合物。聚磷酸酯是一种生物相容性好、结构较易进行修饰和功能化的生物降解高分子,早在20世纪80年代,Penczek等就提出了聚磷酸酯作为药物缓释载体的研究。李晓玺1201等利用醋酸酯淀粉作为药物释放的载体。此外还有海藻酸盐、甲壳素、纤维素衍生物等天然高聚物。

  4.2.2外科手术缝合线

  生物降解性手术缝合线既可缝合伤口,又可在伤口愈合后自动降解,不需再拆除,所以发展越来越快。如用生物可吸收的聚乳酸、胶原蛋白制成的手术缝合线,可免除手术后再拆线的痛苦和麻烦。用聚乳酸制成的骨钉、骨I古I定板,可在骨折痊愈后不需再行手术取出,从而可大大减轻病人的痛苦。最初采用的生物吸收性缝合线是肠线,存在机械强度损失快,处理不方便,必须用湿的缝合线缝合伤口,易引起组织发炎,分解速率过快等缺点。后来改用聚乙交酯(PGA)、聚三.乳酸类(PLLA)及其共聚物制成的复丝,目前已商业化。再后来又研制了更柔软的、低模量的聚葡糖酸酪。另外,三一乳酸和己内酯的共聚物(CL.LA)是生物吸收性的弹性材料,在临床上的应用也已开始研究。同时研究发现用甲壳素制成的缝合线无毒,机械性能良好,易打结,在胆汁、胰液中拉力强度的延续性比聚乙交酯纤维好,在使用初始的1~l 5天强度很好,而此后强度迅速下降,有利于生物体的迅速吸收。Goosen的研究表明,甲壳素缝合线对消化酶、感染组织及尿液等耐受性比肠线和PGA线要好。侯春林口知等进行的动物体内试验也充分表明了甲壳素缝合线的性能明显优于肠线。聚乳酸及其共聚物作为外科手术缝合线时,因其具有在伤口愈合能自动降解并吸收,术后无需拆除缝合线,17.其具有较强的万方数据陈志祥等·生物降解高分子材料在医药领域中的应用抗张强度,能有效地控制聚合物的降解速率,随着伤口的愈合,缝线自动缓慢降解等优点。所以,一经问世,立即受到医生们的青睐,目前已广泛用于各种手术。此外,聚酰胺酸酐具有良好的力学性能和热性能,也可用于外科缝合线[15]。

  4.2.3组织工程材料

  组织l:程学是近l 0年来新兴的一门交叉科学,它是应用程学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织结构一功能关系,以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学口。组织程等技术的创立标志着生物医学材料科学的发展进入了一个崭新的阶段。组织工程的核心是建立南细胞和生物材料所构成的夏维复合体,其中由生物材料所构成的细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间,使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖,最终成为所要求的组织或器官。因此,细胞支架不但应使细胞能进行气体交换、排除代谢废物,同时还能为细胞增殖提[16]供营养物质。组织引导再生(guided tissue regeneration,GTR)是近几年发展起来的一项促进组织再生性愈合的新理论及新技术,医用组织引导再生材料的研究是国内外生物材料研究的热点之一。我们所期待的降解材料是先选择性地引导组织再生,当这一过程完成时,材料完全降解或被组织吸收。据Flei sher、Magnusson、Blumenthal等的研究报道[15],乳酸与乙交酯共聚物膜、聚乳酸膜和胶原膜等是一类较理想的GTR材料。孙毅等报道聚吡咯在神经组织、皮肤、肝脏、肾上腺、骨和血管中都有广泛的应用。此外,聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)及乳酸与乙交酯的共聚物(PLGA)用于组织工程进行肝的再生,具有很好的生物适应性。

  4.3农业方面

  生物降解高分子材料的第二大应用领域是农业。我国是农业大国.每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装袋等用量很大。普通农用薄膜难回收,在自然环境中不易降解,不仅污染环境.而且残弃的塑料膜在土壤巾逐步积累。会使土壤透气性降低.阻碍农作物根系发育和对水分、养分的吸收,导致农作物减产。生物降解高分子材料可在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料。或与有机废物混合堆肥。特别是用甲壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素,壳聚糖的生物降解高分子材料,其降解产物不但有利于植物生长,还可改良土壤环境。现在开发使用的可生物降解农用地膜可在田里自动降解.变成动、植物可吸收的营养物质,这样不但减轻了环境污染.还有益于植物的生长.达到循环利用的目的。除此之外。农用生物降解高分子材料开发的丰要产品还有育苗钵、肥料袋、堆肥袋等。

  5可生物降解聚合物的研究和应用展望

  在可生物降解聚合物合成方面,旨在赋予聚合物组成、结构、分子量等物理特征、降解行为和降解速度的町调性。在功能性可生物降解聚合物方面。提高对环境刺激的快速响应性、灵敏性和可准确同复性。并拓展在生物医用领域的应用将是研究重点。在生物活性大分子控释体系方面.生物活性大分子的高级、甚至一级结构在制备和释放过程中受到物理、机械、化学等因素的作用产生了不可逆的变化。除控制药物释放靶区、释放量及速率外.保持蛋白和多肽药物在制剂制备、释放过程中的生物活性仍然是需要解决的关键fbj题。在组织工程支架材料方面.研究如何在可生物降解聚合物支架上引入生物学、化学、物理学和力学信号。并在不同时期通过一种或多种信号的协同作用.诱导多细胞定位分布、定向分化和协调扩增。确保其沿预定的途径扩增、分化并最终形成特定的组织。在可生物降解聚合物产业化方面。一是建立快速、简便的生物降解性的评价方法.能反映聚合物在自然界中生物降解的实际情况;二是进一步研究可生物降解聚合物的分解速率、分解彻底性、降解过程和机理.开发可控制降解速率的技术:三是通过结构和组成优化、加工技术及形态结构控制等,开发调控材料性能新手段;四是为了提高与其他聚合物的竞争力.必须研究和开发具有自主知识产权的新方法、新工艺和新技术.简化合成路线.降低生产成本,从而参与国际竞争。

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  篇三:可降解生物材料

  可降解生物材料

  摘 要:本文介绍了可降解生物材料的定义,阐述生物降解材料的降解机理及分类(掺混型、化学合成型、天然高分子型以及微生物合成型材料)。指出降解材料当前存在的主要问题, 并对其发展前景进行展望。

  关键词:生物材料;可降解性;降解机理;分类

  前言

  合成高分子材料具有质轻、强度高、化学稳定性好以及价格低廉等优点,与钢铁、木材、水泥并列成为国民经济的四大支柱[1]。然而,在合成高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时,其使用后的大量废弃物也与日俱增,成为白色污染源,严重危害环境,造成地下水及土壤污染,危害人类生存与健康,给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响[2]。另外,生产合成高分子材料的原料——石油也总有用尽的一天,因而,寻找新的环境友好型材料,发展非石油基聚合物迫在眉睫,而可生物降解材料正是解决这两方面问题的有效途径。

  1.可生物降解材料定义及降解机理

  生物降解材料,亦称为“绿色生态材料”,指的是在土壤微生物和酶的作用下能降解的材料。具体地讲,就是指在一定条件下,能在细菌、霉菌、藻类等自然界的微生物作用下,导致生物降解的高分子材料[3]。理想的生物降解材料在微生物作用下,能完全分解为CO2和H2O。

  生物降解材料的分解主要是通过微生物的作用,因而,生物降解材料的降解机理即材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程。

  首先,微生物向体外分泌水解酶与材料表面结合,通过水解切断表面的高分子链,生成小分子量的化合物,然后降解的生成物被微生物摄入体内,经过种种代谢路线,合成微生物体物或转化为微生物活动的能量,最终转化成CO2 和H2O[4]。在生物可降解材料中,对降解起主要作用的是细菌、霉菌、真菌和放线菌等微生物,其降解作用的形式有3种[5]: 生物的物理作用,由于生物细胞的增长而使材料发生机械性毁坏;生物的生化作用,微生物对材料作用而产生新的物质;酶的直接作用,微生物侵蚀材料制品部分成分进而导致材料分解或氧化崩溃。

  2.可生物降解材料的分类及应用

  根据降解机理生物降解材料可分为[6]生物破坏性材料和完全生物降解材料。生物破坏性材料属于不完全降解材料,是指天然高分子与通用型合成高分子材料共混或共聚制得的具有良好物理机械性能和加工性能的生物可降解材料,主要指掺混型降解材料;完全生物降解材料主要指本身可以被细菌、真菌、放线菌等微生物全部分解的生物降解材料,主要有化学合成型生物降解材料、天然高分子型和微生物合成型降解材料等。

  2.1掺混型生物降解材料

  掺混型生物降解材料是指将两种或两种以上高分子物(其中至少有一种组分具有生物可降性)共混复合制得的生物降解高分子材料。选用的生物降解组分大多采用淀粉、纤维素、木粉等天然高分子,其中又以淀粉居多。目前已工业化的产品为美国Warn-er Lambert公司的“Novon”。“Novon”是以变性淀粉为主, 且配有少量其他生物降解性添加剂的高淀粉含量(含量大于90%)的天然聚合物材料, 可完全生物降解, 且分解速率在一年之内可控。另外,“Novon”可采用挤出、注塑、层压、吹塑等成型加工方法, 产品广泛应用于垃圾袋、购物袋、一次性食品容器、医疗器材、缓冲发泡制品等[7]。

  2.2 化学合成型生物降解材料

  化学合成型生物降解材料是指利用化学方法合成制造的生物降解材料。此类高分子材料大多是在分子结构中引入具有酯基结构的脂肪族(共)聚酯, 在自然界中酯基容易被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸、聚己内酯( PCL) 、聚丁烯琥珀酸酯( PBS) 等。

  聚乳酸具有优良的生物相容性和可吸收性,无毒、无刺激性,它在自然界中能完全分解为CO2和H2O,对环境无污染,是目前最有前途的可生物降解的聚合物之一。聚乳酸用途广泛, 目前已被应用于生物医用高分子、纺织和包装等行业。 聚己内酯(PCL)具有优良的生物相容性、记忆性以及生物可降解性等,其产品多集中在医疗和日用方面,如矫正器、缝合线、绷带、降解塑料等。

  2.3 天然高分子型生物降解材料

  天然高分子生物降解材料是利用生物可降解的天然高分子如植物来源的生物物质和动物来源的甲壳质等为基材制造的材料,植物来源包括细胞壁组成的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、多糖类及碳氢化合物,动物来源主要是虾、螃蟹等甲壳动物[8]。

  此类降解材料原料来源丰富,可完全生物降解,而且产物安全无毒性,日益受到重视。然而,天然高分子材料虽具有完全生物降解性,但是它的热学、力学性能差,不能满足工程材料的性能要求,因此目前的研究方向是通过天然高分子改性,得到有使用价值的天然高分子降解塑料。

  2.4 微生物合成型生物降解材料

  微生物合成型生物降解材料是指以有机物为碳源,通过微生物的发酵而得到的生物降解材料,主要包括微生物聚酯和和微生物多糖,其中微生物聚酯方面的

  研究较多[9]。材料是含碳为主的聚合物,当其进入环境后,微生物可把其作为自己的营养物质而分解、消化、吸收,通过发酵合成高分子聚酯,并将其以颗粒状存在菌体内。目前常见的生物合成生物降解材料有生物聚酯(PHA)和聚羟基丁酯(PHB)[10]。

  PHA具有类似于塑料的物化特性并具有可控的生物可降解性。美国宝洁公司已经开发成功了作为缝合线、无纺布和各种包装用材料的PHA系列产品及其多种应用。目前,PHA在全球的研究主要集中在利用其生物可降解性、生物相容性等特征,开发在医疗、制药、电子等高附加值领域的用途。PHB是一种硬而脆的热塑性聚合物,其常温下的力学性能与PP相当,导致PHB这种力学性能的主要原因应为结晶度和结晶形态。

  3.存在问题

  近年来,国内外可生物降解材料得到了很快的发展。尤其是一次性使用材料制品,如可降解食品包装袋、饮料瓶、农用薄膜等已实现了工业化生产。但是目前可生物降解材料的开发和应用还存在以下的一些问题:

  (1)市场应用。由于生产可降解材料的成本偏高,造成其在市场中价格偏高, 这样就给可降解材料的推广造成了很大的影响。

  (2)技术与工艺。与传统塑料相比,可降解材料存在抗水性差、力学性能差和加工性能差的问题,很难满足工业化生产要求。另外,降解材料准确的降解时控性,用后快速降解性、彻底降解性以及边角料的回收利用技术等还有待进一步提高和完善。

  (3)降解材料的标准及试验评价方法。对生物降解材料,世界上尚没有统一的试验评价方法,识别标志和产品检测技术,致使缺乏正确统一的认识和确切的评价,产品市场比较混乱,真假难辩。

  4.展望

  近年来,随着原料生产和制品加工技术的进步,可生物降解材料备受关注, 成为可持续、循环经济发展的焦点。目前我国生物降解材料开发和应用领域,在自主知识产权、创新型产品等方面的研发能力、投入量等方面均有待提高,生物降解材料的回收处理系统还有待完善。为了更好的实现可生物降解材料的产业化,今后还应该在以下几个方面做出努力:一是建立快速、简便的生物降解性的评价方法,反映降解材料在自然界中生物降解的实际情况;二是进一步研究可生物降解材料的分解速率、分解彻底性以及降解过程和机理, 开发可控制降解速率的技术;三是通过结构和组成优化、加工技术及形态结构控制等,开发调控材料性能新手段;四是为了提高与其他材料的竞争力,必须研究和开发具有自主知识产权的新方法、新工艺和新技术,简化合成路线,降低生产成本,参与国际竞争。

  参考文献

  [1]俞文灿.可降解材料的应用、研究现状及其发展方向[J].中山大学研究生学刊,2007,28(1):22-23.

  [2] 洪一前,盛奎川,蓝天,等.生物可降解高分子材料的研究及进展[J]. 粮油加工,2008,39(5):127-128.

  [3] 周鹏, 谭英杰, 梁玉蓉, 等. 可降解材料的研究进展[ J]. 山西化工,2005, 25( 1): 24.

  [4] 胡晓兰, 梁国正. 生物降解高分子材料研究进展[ J]. 化工新型材料, 2002, 30( 3): 7.

  [5] 孟凡磊, 陈复生, 姚永志. 大豆蛋白可生物降解塑料的研究[ J]. 食品工业科技, 2006( 11): 196.

  [6] 林翠花. 可降解材料的研究进展[ J]. 淮坊学院学报, 2006, 6( 4):79.

  [7] 郭娟, 张进. 可降解包装塑料的现状及发展趋势[ J]. 塑料科技,2008, 36, ( 2): 99~100.

  [8] 杨在志. 可完全生物降解高分子材料在环境保护中的应用及发展前景[ J]. 科技文汇, 2006(10): 192~193.

  [9] 宋朝峥, 赵密福. 可降解材料生产技术[ J]. 精细石油化工进展,2005, 26(4): 15.

  [10] 季君晖. 全生物降解塑料的研究与应用[ J]. 塑料, 2007, 36,(2): 42~43.

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